Ces travaux de recherche sont consacrés à l’étude des effets de température sur le développement aérodynamique et l’acoustique rayonnée d’un jet subsonique par simulation des grandes échelles. Ces simulations sont réalisées avec un solveur 3D résolvant les équations de Navier-Stokes compressibles par une approche Volumes Finis. De plus, des schémas de discrétisation spatiale et d’intégration temporelle peu dissipatifs et peu dispersifs sont utilisés pour permettre l’étude des phénomènes acoustiques. La propagation acoustique est réalisée grâce à l’analogie acoustique de Ffowcs-Williams et Hawkings.Dans un premier temps, une configuration de jet simple est étudiée. Deux points de fonctionnement sont simulés. Dans les deux simulations, la vitesse d’éjection est fixée avec un nombre de Mach acoustique M=0.9 et seule la température du jet est modifiée. Pour les deux simulations les nombres de Reynolds sont supérieurs à 105. Pour valider la méthodologie de calcul, l’aérodynamique et l’acoustique ont été comparées avec succès à des données expérimentales. Une étude plus approfondie sur les effets induits par la température sur la distribution azimutale et l’émergence de nouvelles sources acoustiques est également menée. Dans un second temps, une tuyère représentative de l’arrière corps de moteur d’avion civil est considérée. La méthodologie de calcul appliquée sur cette géométrie est identique à celle utilisée sur les jets simples flux. Deux simulations sont réalisées en gardant les vitesses d’éjection constantes et en ne modifiant uniquement la température d’éjection du flux primaire (multipliée par un facteur 2). Les différences observées entre les deux simulations sont moins importantes que pour le cas simple flux. Cependant, le rayonnement acoustique amont est influencé significativement par la différence de température. Dans le cas froid, des ondes acoustiques remontant l’écoulement sont observées au centre du jet et rentrent en interaction avec le corps central. Ce phénomène n’est pas observé pour le cas le plus chaud, expliquant ainsi les différences sur le rayonnement acoustique. / In this PhD thesis, the effects of temperature on aerodynamic development and acoustic radiation of subsonic jets are studied. This is done thanks to 3D compressible Large Eddy Simulations with low dissipative and dispersive numerical schemes that propagate the acoustic waves properly. The far-field noise is then determined with the acoustics analogy proposed by Ffowcs-Williams and Hawkings.First, single round jets are studied. Two operating points are computed: an isothermal jet and a hot jet with an exhaust temperature twice the one of the ambient air (Tj = 2T0). The comparison of both cases is based on a similar exhaust velocity. In both cases, Reynolds number based on the nozzle diameter is above 105. To validate numerical methodology, aerodynamic and acoustic results are successfully compared against experiments. Further analyses are conducted to highlight the new acoustic sources that result from the temperature increase and the effects on the azimuthal mode distribution.Secondly, a more complex geometry representative of a real turbofan engine is considered, including two streams and the plug. The same methodology as the one used for the single jet nozzle is applied. Again, two simulations are computed where the exhaust velocities of both streams are kept constant and only the exhaust primary stream temperature is modified (multiplied by two). Differences on aerodynamic development are less important than the ones observed on single stream jets. However, the upstream acoustic radiation is significantly influenced by the modification of the exhaust temperature. In the colder case, upstream acoustic trapped waves are evidenced in the core jet and interact with the plug. This phenomenon is not reproduced when the primary stream is heated and explains the observed differences on the acoustic radiation.

Les drones miniatures à voilures tournantes tendent aujourd'hui à devenir les nouveaux outils du fantassin, grâce à la polyvalence des missions auxquelles ils peuvent être employés. Leur principal atout concerne leur capacité à combiner le vol stationnaire et le vol de translation rapide, dans des environnements étroits et encombrés. Nous proposons ici l'étude d'un nouveau concept de drone atypique appelé GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), qui consiste à amener un véhicule hybride projectile/drone très rapidement sur un site d'intérêt éloigné, en utilisant l'énergie fournie par une arme portable. La première tâche concerne la modélisation aérodynamique du GLMAV. L'identification paramétrique du modèle aérodynamique est alors réalisée à partir de données expérimentales d'efforts, que nous pouvons a priori quantifier par un critère algébrique d'excitabilité persistante. Nous proposons ensuite des techniques de filtrage, afin d'estimer les paramètres anémométriques inconnus mais nécessaires pour connaître l'environnement aérodynamique dans lequel l'engin évolue. De plus, pour palier à la défaillance de capteurs embarqués et qui peuvent affecter l'information de vitesse linéaire après le tir, nous proposons un estimateur d'ordre réduit de la vitesse linéaire. Dans ces deux problèmes d'estimation, nous prouvons la stabilité des observateurs proposés. Enfin, nous proposons une structure de commande pour la stabilisation de l'engin en vol quasi-stationnaire à partir d'un modèle de synthèse linéaire. Les efficacités des méthodes proposées sont illustrées par des résultats de simulations numériques et des essais expérimentaux / The miniature rotary wing UAVs are now tending to become the new tools of the soldier, with the versatility of missions they can be used. Their main advantage concerns their ability to combine the hovering and translational fast flight in narrow and congested environments. We propose the study of a new and atypical UAV concept called GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), which must bring a hybrid projectile/UAV very quickly on a site of interest, using the energy delivered by a portable weapon. The first task concerns the modelling of the aerodynamic GLMAV model. The parametric identification of the aerodynamic model is then realized from experimental load data, that can be a priori quantified by a persistent-excitability-algebraic-criterion. We then propose two filtering techniques to estimate the unknown aerodynamic parameters but needful to determine the aerodynamic environment in which the vehicle operates. In addition, to compensate the failure of embedded sensors that can affect the linear speed information after the shooting, we propose a reduced-order estimator to conserve a good linear speed information. In both estimation problems we prove the stability of the proposed observers. Finally, we propose a control scheme for the stabilization of the aircraft in the quasistationary flight mode from a linearized GLMAV model. The efficiencies of the proposed methods are illustrated through numerical results and experimental tests

Les ondes acoustiques permettent la manipulation, le tri ou le mélange de particules ou de fluides à l'échelle micrométrique voire nanométrique sans contact et sans marquage. Nous tirons parti de la force de radiation acoustique pour manipuler des cellules vivantes. La plupart des techniques d'émission repose sur l'utilisation d'ondes de surface supersoniques. Cette approche, qui a largement fait ses preuves, requiert des substrats à matériau piézoélectriques. Elle reste, dans les cas pratiques, limitée par une forte atténuation. Ici, nous exploitons le régime subsonique de propagation afin de générer un champ acoustique évanescent dit de "Scholte" qui concentre son énergie au voisinage du substrat où sont précisément situés les objets. Ces ondes présentent donc la caractéristique de ne pas rayonner dans le fluide et ne sont par conséquent pas atténuées. Leur excitation ne requiert aucun matériau particulier et peut-être réalisée à distance de la zone d'intérêt. Nous avons démontré l'existence de ces ondes et illustré leur potentiel au travers d'exemples clés pour la microfluidique. En particulier, l'utilisation d'un champ tournant a montré la possibilité de piéger et d'entraîner la rotation à l'échelle individuelle. Nous décrivons aussi une méthode de caractérisation du plasma sanguin par "centrifugation" acoustique. Ensuite, un réseau de pièges acoustiques réversible a été adapté afin d'étudier son effet sur des cellules adhérentes (fibroblastes) en conditions de culture. Un traitement statistique nous a permis d'étudier les modifications d'organisation de la culture en fonction du phénotype. Ce travail démontre l'intérêt de l'acoustique dans l'étude de la motilité et des effets mécanotransducteurs sur une population cellulaire. / It has been shown that the use of acoustic waves enables nanoparticles, microbubbles, drops or microbeads, living cells and fluids to be moved, sorted, or mixed in a contactless and label-free manner. Here, we take advantage of the acoustic radiation force to manipulate living cells. Most of the applications and their associated techniques rely on the use of the so-called SAW (Rayleigh Surface Acoustic waves). This technique is powerful but requires piezoelectric substrates and suffers from a high damping due to radiation losses in the supersonic regime. Here, we work instead in the subsonic regime of propagation which allows us to generate an evanescent field ("Scholte" waves) thanks to a thin substrate. This wave presents very interesting characteristics since acoustic energy is concentrated in the vicinity of the substrate where objects are located. Moreover, the propagation is lossless and doesn't require any substrate or particular medium. We then showed the potential of this new approach through key-applications in microfluidics. This device enables to establish patterns and to concentrate cells in a flow. We have also designed a rotating acoustic field and shown the possibility of trapping and spinning of individual cells. We also describe a blood plasma characterization method by acoustic "centrifugation" within a drop. In a second part, we have designed a network of switchable acoustic traps compatible with living cells in order to study its effect on a population of adherent cells in culture. It reveals a change of cells behaviour depending on the phenotype. This work opens the way to the use of acoustics in the study of mechanotransductive effects on cells population.

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.

Les drones miniatures à voilures tournantes tendent aujourd'hui à devenir les nouveaux outils du fantassin, grâce à la polyvalence des missions auxquelles ils peuvent être employés. Leur principal atout concerne leur capacité à combiner le vol stationnaire et le vol de translation rapide, dans des environnements étroits et encombrés. Nous proposons ici l'étude d'un nouveau concept de drone atypique appelé GLMAV (Gun Launched Micro Air Vehicle), qui consiste à amener un véhicule hybride projectile/drone très rapidement sur un site d'intérêt éloigné, en utilisant l'énergie fournie par une arme portable. La première tâche concerne la modélisation aérodynamique du GLMAV. L'identification paramétrique du modèle aérodynamique est alors réalisée à partir de données expérimentales d'efforts, que nous pouvons a priori quantifier par un critère algébrique d'excitabilité persistante. Nous proposons ensuite des techniques de filtrage, afin d'estimer les paramètres anémométriques inconnus mais nécessaires pour connaître l'environnement aérodynamique dans lequel l'engin évolue. De plus, pour palier à la défaillance de capteurs embarqués et qui peuvent affecter l'information de vitesse linéaire après le tir, nous proposons un estimateur d'ordre réduit de la vitesse linéaire. Dans ces deux problèmes d'estimation, nous prouvons la stabilité des observateurs proposés. Enfin, nous proposons une structure de commande pour la stabilisation de l'engin en vol quasi-stationnaire à partir d'un modèle de synthèse linéaire. Les efficacités des méthodes proposées sont illustrées par des résultats de simulations numériques et des essais expérimentaux

Le champ proche des jets est une zone où cohabitent des contributions de pression de nature hydrodynamique et acoustique. Leurs caractéristiques sont méconnues, conduisant à une définition controversée des frontières de cette région ainsi qu'à l'impossibilité d'y prédire les niveaux de pression effectivement rencontrés. Cette zone présente un fort intérêt pour l'étude de la dynamique du jet ainsi que pour celle du rôle que peuvent jouer les structures cohérentes dans les mécanismes de génération de bruit aéroacoustique. L'étude présentée ici porte sur un jet subsonique, de nombre de Mach Mj=0,3, et un jet supersonique, Mj=1,4. Elle s'appuie sur des mesures acoustiques en champs proche et lointain ainsi que des mesures de pression champ proche synchrones à des mesures de vitesse dans l'écoulement par vélocimétrie laser à effet Doppler (LDV). Une interaction forte entre les deux contributions de pression est mise en évidence par des pertes de cohérence importantes. Ce phénomène, dont un modèle est proposé, permet de définir précisément la frontière du champ proche par le produit du nombre d'onde et de la position radiale kr=1,3. L'analyse par décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD), sur la base de laquelle est également proposée une méthode de normalisation des données, montre le caractère très cohérent du champ de pression proche à basse fréquence ainsi que l'importance de la prise en compte des contributions azimutales. Une séparation des contributions hydrodynamique et acoustique de pression est obtenue grâce à un filtrage POD. La champ de pression instantanée est déterminé sur une surface entourant le jet grâce à une extension au domaine spectral de l'estimation stochastique linéaire (LSE). Ces données sont utilisées pour estimer le rayonnement acoustique du jet par une formulation intégrale de Kirchhoff ainsi que pour extraire la structuration tridimensionnelle de l'écoulement.

Le bruit de cavité est un phénomène très fréquent dans le domaine des transports aériens.Il survient notamment lors de l'approche à l'atterrissage, où des interactions entre la cellule de l'aéronef et l'écoulement sont à l'origine de fortes émissions tonales. Il devient dès lors une source de pollution acoustique non-négligeable pour les populations résidant à proximité de zones aéroportuaires. Les études numériques et expérimentales décrites jusqu'à présent dans la littérature abordent essentiellement le cas des cavités rectangulaires. Pourtant, les cavités rencontrées en pratique dans l'industrie aéronautique impliquent des géométries souvent plus complexes. Lorsque ces cavités sont soumises à une excitation de nature aérodynamique, leur spécificité géométrique conduit le plus souvent à des réponses acoustiques assez éloignées des estimations issues de modèles académiques construits sur l'observation de cavités rectangulaires. Quelques travaux seulement abordent le cas des cavités cylindriques.Ce travail est consacré à l'étude aéroacoustique des cavités cylindriques, à l'initiative d'Airbus. Il s'inscrit dans le cadre du projet AEROCAV soutenu par la Fondation de Recherche pour l'Aéronautique & l'espace (FRAE). Son objectif est de déterminer les mécanismes impliqués dans les émissions acoustiques intenses et tonales pour les configurations étudiées.Une première partie présente les résultats expérimentaux issus des campagnes de mesures menées dans la soufflerie anéchoïque du Centre Acoustique du LMFA et de l'école Centrale de Lyon. Un modèle semi-empirique, reposant sur l'hypothèse d'une résonance acoustique pilotée par les instabilités présentes dans la couche de cisaillement à l'ouverture de la cavité,est construit à partir du modèle d'Elder (1978). Le modèle permet d'estimer les fréquences susceptibles de dominer l'acoustique rayonnée en champ lointain à partir de la donnée du champ moyen de vitesse longitudinale, que l'on mesure dans le plan de l'écoulement par Vélocimétrie par Imagerie des Particules (PIV).Une seconde partie est destinée au calcul direct du bruit rayonné par un écoulement laminaire ou turbulent affleurant une cavité cylindrique de référence. Il consiste à calculer le champ acoustique directement à partir de la résolution des équations tridimensionnelles de la mécanique des fluides. Le solver Alesia est présenté dans une version modifiée et adaptée à la mise en oeuvre d'une approche multidomaine d'ordre élevé faisant intervenir plusieurs maillages se recouvrant. Des techniques d'interpolation sont spécifiquement développées en vue d'assurer une communication bidirectionnelle entre les différents maillages, malgré des contraintes géométriques fortes. Un modèle d'excitation de l'écoulement est aussi développé afin de disposer de fluctuations dans l'écoulement incident, pour le cas turbulent. Ces deux points font l'originalité des calculs réalisés.Les simulations, menées sur une cavité de rapport d'aspect géométrique égal à 1 et soumise à un écoulement incident à Mach 0.2, montrent que le rayonnement acoustique peut être fidèlement reproduit numériquement. La couche de cisaillement est caractérisée par la présence de deux larges structures tourbillonnaires s'amplifiant lors de leur convection. Leur présence s'accompagne de fortes fluctuations de vitesse à l'origine d'un débit aérodynamique de fluide à l'ouverture qui excite la cavité acoustiquement. Une résonance forcée s'établit dans celle-ci, excitant la couche de mélange au voisinage du point de séparation. Ce couplage auto-entretenu est à l'origine du rayonnement acoustique intense et fortement tonal de la cavité. Il s'établit à une fréquence proche de la fréquence prédite par le modèle semi-empirique développé.

Le bruit de cavité est un phénomène très fréquent dans le domaine des transports aériens.Il survient notamment lors de l’approche à l’atterrissage, où des interactions entre la cellule de l’aéronef et l’écoulement sont à l’origine de fortes émissions tonales. Il devient dès lors une source de pollution acoustique non-négligeable pour les populations résidant à proximité de zones aéroportuaires. Les études numériques et expérimentales décrites jusqu’à présent dans la littérature abordent essentiellement le cas des cavités rectangulaires. Pourtant, les cavités rencontrées en pratique dans l’industrie aéronautique impliquent des géométries souvent plus complexes. Lorsque ces cavités sont soumises à une excitation de nature aérodynamique, leur spécificité géométrique conduit le plus souvent à des réponses acoustiques assez éloignées des estimations issues de modèles académiques construits sur l’observation de cavités rectangulaires. Quelques travaux seulement abordent le cas des cavités cylindriques.Ce travail est consacré à l’étude aéroacoustique des cavités cylindriques, à l’initiative d’Airbus. Il s’inscrit dans le cadre du projet AEROCAV soutenu par la Fondation de Recherche pour l’Aéronautique & l’espace (FRAE). Son objectif est de déterminer les mécanismes impliqués dans les émissions acoustiques intenses et tonales pour les configurations étudiées.Une première partie présente les résultats expérimentaux issus des campagnes de mesures menées dans la soufflerie anéchoïque du Centre Acoustique du LMFA et de l’école Centrale de Lyon. Un modèle semi-empirique, reposant sur l’hypothèse d’une résonance acoustique pilotée par les instabilités présentes dans la couche de cisaillement à l’ouverture de la cavité,est construit à partir du modèle d’Elder (1978). Le modèle permet d’estimer les fréquences susceptibles de dominer l’acoustique rayonnée en champ lointain à partir de la donnée du champ moyen de vitesse longitudinale, que l’on mesure dans le plan de l’écoulement par Vélocimétrie par Imagerie des Particules (PIV).Une seconde partie est destinée au calcul direct du bruit rayonné par un écoulement laminaire ou turbulent affleurant une cavité cylindrique de référence. Il consiste à calculer le champ acoustique directement à partir de la résolution des équations tridimensionnelles de la mécanique des fluides. Le solver Alesia est présenté dans une version modifiée et adaptée à la mise en oeuvre d’une approche multidomaine d’ordre élevé faisant intervenir plusieurs maillages se recouvrant. Des techniques d’interpolation sont spécifiquement développées en vue d’assurer une communication bidirectionnelle entre les différents maillages, malgré des contraintes géométriques fortes. Un modèle d’excitation de l’écoulement est aussi développé afin de disposer de fluctuations dans l’écoulement incident, pour le cas turbulent. Ces deux points font l’originalité des calculs réalisés.Les simulations, menées sur une cavité de rapport d’aspect géométrique égal à 1 et soumise à un écoulement incident à Mach 0.2, montrent que le rayonnement acoustique peut être fidèlement reproduit numériquement. La couche de cisaillement est caractérisée par la présence de deux larges structures tourbillonnaires s’amplifiant lors de leur convection. Leur présence s’accompagne de fortes fluctuations de vitesse à l’origine d’un débit aérodynamique de fluide à l’ouverture qui excite la cavité acoustiquement. Une résonance forcée s’établit dans celle-ci, excitant la couche de mélange au voisinage du point de séparation. Ce couplage auto-entretenu est à l’origine du rayonnement acoustique intense et fortement tonal de la cavité. Il s’établit à une fréquence proche de la fréquence prédite par le modèle semi-empirique développé. / Cavity noise is a very frequent phenomenon in air transport. It occurs in particular during landing approaches, where airframe–flow interactions are responsible for strong tonal emissions. Accordingly, it turns to be a non negligible source of acoustic pollution for populations living near airport areas. Numerical and experimental studies reported in the literature tackle essentially the case of rectangular cavities. Nevertheless, cavities may often exhibit more complex shapes in practice. When subject to aerodynamic excitations, and because of their geometrical specificity, these cavities may have acoustic responses which can be rather far from estimations resulting from academic models designed for rectangular cavities. Only asmall number of studies tackle the case of cylindrical cavities.The present work requested by Airbus is dedicated to the study of aeroacoustics in cylindrical cavities. This work was been supported by the Fondation de Recherche pour l’Aéronautique& l’Espace (FRAE) under contract reference AEROCAV. It aims at discerning the mechanisms responsible for strong and tonal acoustic emissions for the studied configurations.Experimental data resulting from measurements performed in the anechoic wind-tunnel of the Centre Acoustique at ´Ecole Centrale de Lyon are presented in a first part. A semi-empirical model based on the hypothesis of a shear-layer driven acoustic resonance is constructed from the Elder model (1978). The model provides an estimation of the frequences which are likely to be predominant in the far-field acoustics, given the mean streamwise velocity field, currently measured in the flow plane by Particle Image Velocimetry (PIV).A second part deals with the direct computation of the noise radiated by a laminar or turbulent grazing flow over a standard cylindrical cavity. The method consists in the calculationof the acoustic field directly from the resolution of the tridimensional Navier–Stokes equations. The Alesia solver is presented in a modified form, adapted to the implementationof a high-order chimera method involving several overlapping grids. Interpolation techniques have been specifically developed to achieve a bidirectional communication between the meshes in spite of strong geometrical constraints. A flow excitation model has also been constructed in order to obtain fluctuations into the incoming flow in the turbulent case. These two last points make the present computations original. The simulations, which are performed on a cavity of geometric ratio taken as 1 and subject to a grazing flow of Mach 0.2, reveal that it is possible to retrieve the radiated noise numerically with high fidelity. They indicate the presence of two large amplifying vortices in the shearlayer. These vortices go with strong velocity fluctuations giving rise to an inflow of fluid at the cavity mouth which excites the cavity acoustically. A forced acoustic resonance occurs into the cavity, then destabilises the shear layer near the separation point. This self-sustained coupling is responsible for strong tonal radiations from the cavity. The frequency of the radiated noise is close to the one predicted by the semi-empirical model.